Rekayasa Energi: Fuel Cell - Sel Bahan Bakar

Berdasarkan atas perbedaan elektrolit yang digunakan, fuel cell dapat dibagi menjadi empat tipe. Keempat tipe tersebut, suhu dan skala energi yang dihasilkan berbeda. Dari empat tipe tersebut dapat dibagi lagi menjadi dua tipe, yaitu yang bekerja pada suhu tinggi (dua tipe) dan pada suhu rendah (dua tipe):

1.Tipe pada suhu tinggi adalah MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) dan SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).     Kedua tipe ini bekerja pada suhu 500°C-1000°C. Suhu tinggi akan mempercepat reaksi sehingga katalis (Pt) tidak diperlukan pada tipe ini. MCFC bekerja pada suhu 650°C, dan elektrolit yang digunakan adalah garam karbonat (Li2CO3, K2­CO3, dll) dalam bentuk larutan. Sedangkan SOFC, bekerja pada suhu 1000°C, dengan keramik padat (misal, ZrO2) sebagai elektrolitnya.

2.Tipe pada suhu rendah adalah PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) dan PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Kedua tipe ini bekerja pada suhu dibawah 200°C. Tipe ini cepat teraktifasi karena beroperasi pada suhu yang lebih rendah, namun karena suhu rendah tersebut tipe ini membutuhkan katalis (Pt) sebagai elektrodanya yang harganya cukup mahal. PAFC bekerja pada suhu 200°C, dan asam fosfat (H3PO4) sebagai elektrolitnya. PEMFC bekerja pada suhu dibawah 100°C, membran polimer sebagai elektrolitnya.

Berdasarkan material elektrolitnya terdapat beberapa jenis fuel cell, yaitu:
A.Alkaline Fuel Cell (AFC)
B.Phasphoric Acid Fuel Cell (PAFC)
C.Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
D.Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
E.Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)
F.Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
G.Regenerative Fuel Cells (RFC)
H.Zinc-Air Fuel Cell (ZAFC)

A.Alkaline Fuel Cell (AFC)
Alkali Fuel Cell (AFC) ini, menggunakan elektrolit larutan kalium hidroksida atau larutan alkali. Suhu pengoperasian antara 150°C-200°C dengan menggunakan bahan bakar hidrogen dan oksigen murni.

                                              Gambar 1. AFC dan Kesetimbangan Reaksi

Mekanisme kerjanya dimulai dari reaksi air. Oksigen di katoda menghasilkan ion hidroksil (OH-) yang melewati elektrolit menuju sisi anoda. Di anoda hidrogen akan bereaksi dengan ion hidroksil menghasilkan air dan membebaskan elektron. Elektron dari anoda keluar sebagai tenaga listrik kemudian kembali ke sisi katoda. Di sisi katoda elektron bereaksi dengan oksigen dan air menghasilkan ion hidroksil kembali.
Sel bahan bakar alkali dapat mencapai efisiensi pembangkitan listrik sampai 70 persen. Namun, merekasangat rentan terhadap pencemaran karbon, sehingga membutuhkan hidrogen murni dan oksigen murni. Pengotor dalam AFC dapat menyebabkan reaksi samping dan karbondioksida akan bereaksi dengan elektrolit membentuk endapan karbonat yang akan menutup permukaan katalis dan menghambat reaksi dipermukaan anoda dan katoda.

B.Phasphoric Acid Fuel Cell (PAFC)
Pada sel bahan bakar asam fosfat (PAFC), asam fosfat digunakan sebagai elektrolit dan emas putih (Pt) sebagai anoda dan katoda. Bahan bakarnya menggunakan hidrogen dan oksigen. Suhu pengoperasiannya 120°C-200°C.

                                          Gambar 2. PAFC dan Kesetimbangan Reaksinya

Prinsip kerjanya adalah: hidrogen pada sisi anoda dioksidasi menjadi proton dan elektron. Melalui elektrolit, proton berpindah dari anoda ke katoda. Elektron keluar dari sel melalui extenal circuit sebagai energi listrik dan kemudian kembali ke katoda. Di sisi katoda, elektron, proton, dan oksigen bereaksi menghasilkan air. Efisiensi PAFC ini rendah sekitar 40% - 50%, tetapi sudah mulai dikomersialkan untuk menghasilkan listrik 200 kW sampai dengan 11MW.

C.Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) menggunakan garam natrium karbonat sebagai elektrolit. Garam karbonat dipanaskan 650°C sehingga meleleh. Lelehan garam dapat menghantarkan ion karbonat melalui elektrolit dari katoda ke anoda. Di sisi anoda ion karbonat bereaksi dengan hidrogen menghasilkan air, karbondioksida, dan electron MCFC. Electron ini sebagai tenaga listrik dan kembali ke katoda. Oksigen dari udara dan karbondioksida bereaksi dengan elektron membentuk ion karbonium yang dihantar oleh elektrolit menuju ke sisi anoda kembali. Reaksi berlangsung pada suhu 650°C.
MCFC ini menggunakan katalis Nikel yang lebih murah dari pada platina. Pada suhu operasi 650°C batu bara lebih sesuai untuk bahan bakar sel. MCFC telah dibuat untuk memproduksi energi listrik sebesar 2 MW.

                                           Gambar 3. MCFC dan Kesetimbangan reaksinya

D.Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
Elektrolit SOFC menggunakan bahan keramik seperti kalsium oksida atau zircrnium oksida. Suhu operasi 700°C-1000°C. pada suhu tinggi ion oksigen bermuatan negatif bergerak melalui kristal menuju anoda. Sementara itu, molekul hidrogen di anoda dioksidasi oleh ion oksigen menghasilkan ion hidrogen dan membebaskan elektron. Elektron keluar dari sistem melalui external circuit untuk listrik dan masuk ke sisi katoda.
Kelemahan dari SOFC adalah bekerja pada suhu tinggi yang mengakibatkan waktu start up dan start down lama. Selain itu, suhu yang terlalu tinggi dapat menyebabkan oksida padat pecah. Sedangkan keunggulannya adalah  limbah panas dapat digunakan kembali sebagai pembangkit listrik.

                                             

                             Gambar 4. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) dan kesetimbangan reaksinya  

E.Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)
Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) adalah PEFC yang berbahan bakar hidrogen. PEMFC menggunakan dua katoda sehingga reaksi di masing-masing elektroda adalah reaksi setengah sel, sedangkan bila reaksi terjadi antara anoda dan katoda dinamakan reaksi total sel. Elektrolit PEMFC adalah membrane pertukaran proton, yaitu material yang berbentuk seperti plastik pembungkus yang hanya dapat mengalirkan ion bermuatan positif. Sedangkan elektron yang bermuatan negative tidak akan melalui membran ini. Katalis yang diguakan adalah lembaran kertas karbon yang diberi selapis tipis bubuk platina.
Pada satu unit sel bahan bakar terjadi reaksi di anoda dan katoda. Reaksi yang terjadi pada anoda adalah 2H2 --> 4H+ + 4e-. Sementara reaksi yang terjadi pada katoda adalah O2 + 4H+ + 4e-  2H2O. hasil samping reaksi ini adalah aliran elektron yang menghasilkan arus listrik serta energi panas dari reaksi.

                                           Gambar 5.Proton Exchange Membrane Fuel Cell

F.Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) adalah sel bahan bakar yang menggunakan membran penukar proton sebagai penghubung antara reaksi di katoda dan anoda. Membran ini menggunakan metanol sebagai sumber energi. Maksud dari kat direct pada direct methanol fuel cell adalah sel bahan bakar ini langsung memanfaatkan metanol untuk menghasilkan energi. Komponen dasar DMFC adalah satu set elektroda (katoda dan anoda) yang dipsahkan oleh sebuah membran. Katoda disini juga berfungsi sebagai katalis. Katoda yang biasa digunakan adalah Platina (Pt).

                                                     Gambar 6. Direct Methanol Fuel Cell

Pada gambar 7, terlihat di sisi anoda metanol dan air diinjeksikan ke dalam batch reaksi dengan kecepatan konstan. Tumbukan dengan katalis membantu terjadi reaksi konversi metanol secara katalik menjadi proton, CO2, dan elektron. Gas CO2 dikeluarkan dari sistem sementara proton bergerak menyebrangi membran menuju katoda yang kemudian bereaksi dengan oksigen menghasilkan air. Tumpukkan elektron di anoda menghasilkan beda potensial yang memaksa elektron dari reaksi konversi tersebut mengalir dalam sebuah sirkuit arus, dipakai sebagai arus searah oleh peralatan eltronik, kemudian sampai di katoda sehingga mentempurnakan reaksi pembentukan molekul air. Limbah dari DMFC adalah air dan gas CO2 dalam jumlah kecil.  

G.Regenerative Fuel Cells (RFC)
Regenerative Fuel Cells (RFC) memisahkan air untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen dengan bantuan energi yang dihasilkan sel surya. Hidrogen dan oksigen dipancing pada regenerasi sel bahan bakar, menghasilkan energi listrik, panas, dan air. Air yang dihasilkan kemudian disirkulasikan ulang pada elektrolisis dari sel bahan bakar regenaritif dan proses berulang kembali.

                                       

                                                       Gambar 7. Regenerative Fuel Cell

H.Zinc-Air Fuel Cell (ZAFC)
Dalam sel bahan bakar  seng-udara, terdapat difusi gas elektroda (Gde), seng anoda yang dipisahkan oleh elektrolit, dan beberapa bentuk pemisah mekanis. Gde adalah membran permeabel yang memungkinkan oksigen atmosfer melewatinya. Setelah oksien dikonversikan menjadi ion hidroksil dan air, ion hidroksil akan melakukan perjalanan melalui suatu elektrolit, dan mencapai anoda seng. Di sini, ia bereaksi dengan seng, dan bentuk oksida seng. Proses ini menciptakan potensial listrik, ketika satu set sel ZAFC yang terhubung, potensi listrik gabungan dari sel-sel ini dapat digunakan sebagai sumber tenaga listrik. Dalam sistem loop tertutup, listrik diciptakan sebagai seng dan oksigen dicampur dalam kehadiran elektrolit, menciptakan oksida seng. Setelah bahan bakar habis, sistem dihubungkan ke grid dan proses terbalik, meninggalkan sekali lagi pellet seng murni bahan bakar.

                                                 

                                                     Gambar 8. Zinc Air Fuel Cell (ZAFC)